400G以其广阔的市场前景，将成为下一轮技术革命的先驱，这已经成为通信产业的共识。为了抢占市场先机，许多系统设备、光器件厂商加大了在400G产品上的投入。

但是需要首先明白的前提是：同100G/400G一样，400G的部署应该是渐进的方式；并且从成本方面考量，为了能更有效地利用现有的线路资源，运营商希望未来的400G 能够在现有的网络上进行部署，而不是将一切都推倒重来。

第一，我们要搞清楚到底是需要大流量、高带宽的最新光器件技术，还是需要数据传输安全、可靠性高的成熟技术。

第二，数据中心进行400G的升级，我们需要从底层芯片、器件形态以及架构形态等诸多方面进行考虑。

这无疑给原本就不成熟的技术现状又增加了很多现实难度。

技术商榷点众多，行业急需找到可行路径

400G是当前的热点概念，不过超快光通信的研究由来已久。除去大学科研院所的奠基性工作，早在2011年2月，Finisar就在“超越100GE”的研讨会上提出了400G模块标准建议，并提出了几种可能的技术路径。

几种可能的技术路径

利用已商业化的EML(电吸收调制激光器)技术组成10x40G架构；利用四电平幅度调制(PAM4)和DSP信号处理进行色散补偿的8x50G方案；借助比如PM-QPSK（偏振复用-正交相移键控）在内的相位调制技术实现的4x100G架构。此后的研究一般都基于前人提出的这些方案而进行。

总结一下这三种方案的核心要义和优缺点：

1. 增加波分复用的信道数目

这种方案可以比较容易地做出样品，但问题在于无制冷激光器导致了信道间隔不能减小，从而因为温漂问题降低了器件的可靠性；另外集成激光器数量的增加将导致产品良率低下的问题。

2. 增加电平数目+信号补偿

PAM4高阶调制技术可以让光收发模块在同等器件带宽的条件下达到传输速率翻倍的效果，引入DSP芯片取代过去的CDR时钟恢复芯片可用于解决光器件带宽不足引起的灵敏度问题。不过PAM4技术提高速率的同时是以牺牲一部分信噪比为代价的；DSP降低了信噪比，并且提高了频谱效率，但是其带来的功耗和成本问题却十分突出。

3. 提高调制速率

能达到4x100G甚至是单波400G的条件自然是工程师们梦寐以求的事情，但是众所周知，发射芯片的带宽问题一直都是亟待解决的技术瓶颈，并且速率越高，电驱动的成本也越高。

从早年的16通道到8通道再到越来越近的4通道，人们在减少激光器的使用上已经达成共识，当前人们更倾向于采用渐进式的第二种方案，国内的易飞扬(Gigalight)、旭创科技等企业甚至已在此基础上研制出了400G AOC产品。PAM4技术已被大众所接受，但是在DSP和CDR的讨论上，人们往往莫衷一是。

到底要不要用DSP？这现在还是行业难题——“它很好但是很烫手”。

由于DSP引入了DAC/ADC与算法，功耗高于CDR芯片，目前基于16nm DSP解决方案的400G OSFP/QSFP-DD的设计功耗在12W左右，无论对于模块本身或者是未来交换机前面板的热设计都是巨大挑战。

不过将目前的16nm升级为7nm工艺能够实现65%的功耗降低，7nm芯片工艺可帮助人们在未来解决功耗带来的负效应。

行业现状，带着成果和困难前进

我们可以看到，虽然方案不是很完美，但是可喜的是国内的业界已经可以把产品做出来了。

2018年400G产业的大事记

在今年年初的OFC展会上，海信宽带、立讯光电、旭创科技等企业率先展示了400G OSFP和400G QSFP-DD两款AOC产品；Finisar展示了首款400G QSFP-DD LR8和FR8光模块；AOI公司发布了针对下一代400G光模块应用的100Gbps EML激光器产品；著名芯片制造商Macom联合ColorChip推出了单波100G的QSFP28模块；易飞扬(Gigalight)推出了400G QSFP-DD AOC以及400G QSFP-DD FR8等产品；在罗马的ECOC展会上，100G Lambda多源协议更新了自己的技术规格书，旭创科技和Finisar提供了面向超大规模数据中心应用的400G QSFP-DD DR4光模块样品（详情可见下表）；烽火通信自主研发的400G光传输平台FONST 6000系列首次在广州至深圳东环干线上实现了400G的稳定商用传输；以太网联盟从12月3日开始进行400G高速网络的Plugfest，用于评估和改善从25Gbps到400Gbps端口数据速率的互操作性。

从上面的事件可以分析得出：当前光器件行业的现状，就是400G标准正在不断完善，芯片制造商、模块商也制作出了样品。

但是正如文章开头所说：“我们到底是需要大流量、高带宽的最新光器件技术，还是需要数据传输安全、可靠性高的成熟技术？”大带宽的光器件做出来了，但是真的能够满足数据中心的现实应用吗？

答案是还不能。下表列出了数据中心场景下的一些技术指标，具体场景具体分析。

针对不同场景和距离的应用，行业需要研制不同种类的产品，在不同情况下它们遇到的问题都不一样。

比如短距离下基于VCSEL技术的400G SR8和SR4.2产品，拥有的固有优势在于：底层芯片成熟、供应链健全；光电封装技术成熟，可有效规避专利问题。

但是传统的VCSEL方案存在其固有缺陷：随着速率的提升，激光器的氧化孔径越来越小，将严重影响VCSEL的良率和可靠性。新的高速率VCSEL方案亟待解决。

大于2km距离的400G FR4以及LR4产品在激光器的选用上会更多地采用EML技术。关于EML，有两个名词与之对应，External Modulated Laser（外调激光器）和Electro-absorption Moduled Laser（电吸收调制器）。

直调激光器(Directly Modulated Laser, DML)技术目前因为其成本和功耗优势应用在100G速率的数据中心应用，EML技术更多用在电信级的产品。

单波25G的时代EML和DML技术分庭抗礼，然而DML在单波长速率超过50G之后会达到一个应用瓶颈期；电吸收调制器(EML)技术在高速率条件下拥有绝对优势，但是它需要额外的电流输入给调制器，功耗比起DML方案有所提高，并且在成本和可靠性上存在诸多问题。

对于大于40km甚至是80km场景下的400G ZR产品，我们会用到新的技术：相干传输。OUT5的接口速率将达到449.219Gbit/s，随着速率的提高，系统对光信噪比(OSNR)、色度色散(CD)、(PMD)和非线性的要求越来越高。

相干传输在原有时分复用/波分复用系统的基础上，进一步提升通信系统的总容量和传输距离的效果；但是相干模块情况更加复杂，高速长距离的链路技术要求非常苛刻，目前很多技术还未完全成熟。

结论：当前采用新的技术我们能够把400G产品研制成功，但由于功耗、成本等因素的阻碍，大规模的应用依然是困难重重。

更好的方案在哪里？硅光技术的前景和困境

通信行业的发展离不开新材料的发现，硅光技术将成为400G革命成功的关键。

硅光子技术采用半导体的CMOS工艺技术，在硅基片上制造各种光子器件和集成光路芯片，并且可以融合光子器件和CMOS集成电路，构成硅集成光路和电路。

早在1985年，Richard Soref等人提出单晶硅可用作光波导材料。由于硅在1300和1550nm电信波长下的透明性，他们认为硅可用于为微电子应用同时添加光学功能。

硅本身不是一个很好的发光材料，对发光的要求很高，由于其与CMOS工艺高度兼容，过去人们对它的研究已经非常彻底了。行业拥有一大批的专家，晶圆、芯片制造产业链较为完整，因此作为未来400G材料的首选。

但是硅光技术应用到光收发模块上的发展其实是很缓慢的。

硅光封装技术门槛很高：行业欠缺芯片电I/O设计的经验，光源、光纤难以耦合，并且封装技术与现有封装技术及设备并不兼容。当前的100G硅光产品与传统的DML方案对比无明显优势，以100G QSFP28 PSM4为例，硅光模块内部架构并未简化。虽然在高速率的400G方案里硅光技术优势明显，但是仍然需要与传统的InP方案进行竞争。产业链还需要更加成熟完善。

今年九月，光迅科技发布公告其100G硅光芯片由国家信息光电子创新中心、光迅科技公司、光纤通信技术和网络国家重点实验室、中国信息通信科技集团联合研制成功，随后亨通光电、易飞扬(Gigalight)率先在国内推出了100G的硅光模块，引起了业界的强烈反响。

9月6日，深圳市易飞扬通信技术有限公司在深圳市科创委的技术支持下开启了“重20180152-应用于数据中心的400G硅光芯片的关键技术研发”项目。400G硅光项目已经全面启动，未来我们拭目以待。

谁会最终脱颖而出？

再回到本篇开始的那个问题。“数据中心进行400ge光模块的升级，我们需要从底层芯片、器件形态以及架构形态等诸多方面进行考虑。”数据中心的器件形态必须要做到可以演进、可重构，从成本上来考虑必须要能有效地利用现有的线路资源。

举个例子，我们现在市场上的400G光模块主流封装不外乎CFP8,OSFP,QSFP-DD等，但是QSFP-DD却成为了未来的主流。虽然说它的尺寸更小，对模块的性能、功耗、良率等提出了更高的要求，但是QSFP-DD与QSFP和QSFP28拥有向后兼容性，并且在每一个1U面板上可布置36个端口。

在数据中心的大规模部署里，光收发器件的高端口密度、良好兼容性是非常重要的，这也是光模块研发人员选择技术路径的重要依据。

我们还应该考虑数据中心不同场景以及可靠性的因素。各式各样的比如1U,2U,4U,8U,16U交换机产生了不同场景的应用，对光模块的信号质量测试就成了评价光器件厂商的重要环节。

像环境类的测试，在0-70度之内能不能都正常工作？对接测试，ABCD四个同型号同类型的光模块两两测试情况会怎样？数字诊断测试，支持DDM功能吗？历遍测试，每一款产品在不同交换机上的应用都正常吗？寿命测试，从使用到报废实际工作时间能有多久？这些都是数据中心对产品可靠性提出的要求。从研发到生产流水线已经很难，更难的是保证产品质量、可靠性。

最后就是老生常谈的成本和功耗问题。数据中心每年会因为电力损耗额外支出相当可观的账单，算在成本里面，这些都是运营商、数据中心首席CFO们所关注的问题。比如中国联通2012年营业收入407亿美元，利润为12亿美元，但是电费开支却高达17亿美元。

在400G的历史竞争中，技术方面的硬实力固然重要，最终决胜的还是可靠性、使用寿命、成本这些软实力方面。

这是一个伟大的时代，机遇和威胁并存。任何企业都带有它的使命，都有可能成为400G科技革命的英雄，狭路相逢，有进无退。